我國西南地區(qū)煤礦關(guān)鍵層的運(yùn)動特征及對瓦斯涌出的影響

王大學(xué) 萬芳芳 湯 鑄, 顏 智 金 磊

(1.六盤水師范學(xué)院礦業(yè)與土木工程學(xué)院；2 湖南科技大學(xué)資源與安全工程學(xué)院；3.貴州省礦山安全科學(xué)研究院瓦斯防治研究所)

自錢鳴高院士首次提出關(guān)鍵層理論以來[1]，眾多學(xué)者對其開展了深入研究，文獻(xiàn)[2]將關(guān)鍵層的相關(guān)原理進(jìn)行了全面闡述，并將其應(yīng)用于礦體開采方式選取、頂板來壓分析、地表沉陷控制、控水隔水、裂隙發(fā)育研究、瓦斯抽采施工等方面；潘宏宇[3]通過對關(guān)鍵層破斷之后上覆煤巖層及瓦斯的固氣耦合分析，對瓦斯運(yùn)移情況進(jìn)行了模擬；屈慶棟等[4]將關(guān)鍵層的應(yīng)用發(fā)展至對鄰近煤層瓦斯涌出的預(yù)防與控制方面，并詳細(xì)闡述了關(guān)鍵層破斷對工作面瓦斯涌出變化的影響。上述研究盡管成效顯著，但大體集中于陽泉、神府等大型煤礦區(qū)(該類礦區(qū)煤巖層具有厚及巨厚的特點(diǎn))，針對西南地區(qū)煤巖厚度較薄、煤層間距較近、瓦斯含量較高的特點(diǎn)開展關(guān)鍵層運(yùn)動特征的研究成果較少。本研究結(jié)合大量實(shí)地調(diào)查和理論分析，以六盤水礦區(qū)、 黔北鴨溪礦區(qū)以及重慶松藻礦區(qū)為例，對我國西南地區(qū)煤礦關(guān)鍵層運(yùn)動特征及對瓦斯涌出的影響進(jìn)行研究。

1 關(guān)鍵層判定方法

關(guān)鍵層判別主要包括硬巖剛度判別和硬巖破斷距離判別，據(jù)此可以快速判別亞關(guān)鍵層和主關(guān)鍵層[5]。

1.1 硬巖剛度判斷

一般來說，可根據(jù)材料力學(xué)梁的同步協(xié)調(diào)方程計(jì)算出第n層巖層對第i層巖層的載荷影響，計(jì)算公式為

(1)

式中，qi|n(i=1，2，3，…，n)為第n層巖層對第i層巖層的載荷，kN；Ei(i=1，2，3，…，n)為第i層巖層的彈性模量，MPa；hi為第i層巖層的厚度，m；γp為第p層巖層的容重，kN/m3。

由式(1)可推導(dǎo)出q的判別式

(2)

式中，Ep為第p層巖層的彈性模量，MPa；hp為第p層巖層的厚度，m。

初始令i=1，當(dāng)式(2)成立時(shí)，則i層巖層為硬巖位置，再往上判斷時(shí)令i=n+1，n以i為起點(diǎn)再開始循環(huán)判斷，直至表土層。

1.2 硬巖的破斷距判斷

采用材料力學(xué)固支梁力學(xué)模型對初次破斷距公式進(jìn)行簡化后可得

(3)

式中，Ln為第n層巖層的初次破斷距離，m；qi為第i層巖層載荷，kN；σi為第i層巖層正應(yīng)力，kN。

運(yùn)用簡支梁力學(xué)模型對周期破斷距計(jì)算公式進(jìn)行化簡后可得

(4)

2 我國西南地區(qū)關(guān)鍵層的運(yùn)動特征

2.1 關(guān)鍵層的一般運(yùn)動特征

(1)承載和支撐上覆煤巖層。由于關(guān)鍵層為組次中較厚的硬巖層，根據(jù)砌體梁理論分析及現(xiàn)場實(shí)際考察，關(guān)鍵層與其下部巖層不具有協(xié)同性，下部巖層垮落后，關(guān)鍵層能夠在一定時(shí)間內(nèi)對上覆巖層進(jìn)行支撐，確保上覆煤巖層的性質(zhì)不發(fā)生改變。

(2)影響巖層同步破斷。關(guān)鍵層破斷后，會造成一定區(qū)域內(nèi)的上覆巖層同步破斷，使得上覆巖層裂隙大范圍溝通。當(dāng)覆巖中有煤層時(shí)，煤層會突然卸壓，瓦斯通過破斷裂隙大量涌向關(guān)鍵層下部區(qū)域。

(3)造成沖擊啟動和劇烈的來壓顯現(xiàn)。厚關(guān)鍵層的周期破斷與冒落一般呈短塊狀，并具有后塊短、前塊長的特點(diǎn)，在短塊破斷中還可分為小塊破斷與冒落和大塊破斷與冒落2種形式。由于厚關(guān)鍵層的抗拉強(qiáng)度不大，在厚關(guān)鍵層處于懸臂狀態(tài)下，會出現(xiàn)分小塊破斷與冒落形式；難跨厚關(guān)鍵層由于其巖層完整性好，多數(shù)情況下周期來壓呈大塊破斷與冒落，故覆巖主關(guān)鍵層的初次破斷會造成采場強(qiáng)烈的來壓顯現(xiàn)。具有厚關(guān)鍵層采場覆巖的初次冒落形態(tài)為拱形，并可分為整體冒落和局部冒落2種基本形式，厚關(guān)鍵層的周期冒落呈短塊狀，并具有周期塊長不相等的特征[8]。

2.2 我國西南典型礦區(qū)關(guān)鍵層巖性特征

2.2.1 六盤水礦區(qū)

六盤水礦區(qū)位于貴州省西部烏蒙山區(qū)，是我國長江以南13個(gè)省(市、自治區(qū))中最大的煤炭資源基地，素有“西南煤?！?、“江南煤都”美譽(yù)。礦區(qū)地層含可采煤層5～13層，多為薄及中厚煤層，具有西南地區(qū)煤層賦存的典型特點(diǎn)。金佳礦中煤組的煤巖層賦存特征如圖1所示，根據(jù)關(guān)鍵層的判定準(zhǔn)則，該中煤組含4層亞關(guān)鍵層，巖性為粉砂巖和泥質(zhì)粉砂巖，主關(guān)鍵層缺失。

圖1 六盤水礦區(qū)巖層特征

2.2.2 黔北鴨溪礦區(qū)

黔北鴨溪礦區(qū)位于貴州省遵義市，屬云貴基地八大礦區(qū)之一，地層含煤4～11層，其中可采煤層3～5層，多為薄及中厚煤層，為貴州省北部典型的賦煤區(qū)域。礦區(qū)內(nèi)興安煤礦的含煤地層特征如圖2所示，主采煤層為C4、C6、C9煤層，含2層亞關(guān)鍵層，主關(guān)鍵層缺失。

2.2.3 重慶松藻礦區(qū)

松藻礦區(qū)位于重慶市綦江縣與貴州省桐梓縣、習(xí)水縣的交界部位，為國家規(guī)劃礦區(qū)，區(qū)內(nèi)含煤9～12層。礦區(qū)內(nèi)渝陽煤礦的含煤地層特征如圖3所示。該礦區(qū)主采煤層為C8煤層，含1層亞關(guān)鍵層，主關(guān)鍵層缺失。

圖2 鴨溪礦區(qū)巖層特征

圖3 渝陽礦區(qū)巖層特征

2.3 我國西南地區(qū)礦區(qū)關(guān)鍵層的運(yùn)動特征

對六盤水礦區(qū)、遵義鴨溪礦區(qū)、重慶松藻礦區(qū)關(guān)鍵層特征的分析，可知我國西南地區(qū)關(guān)鍵層除了具有關(guān)鍵層的普遍特點(diǎn)外，還具有如下特征。

(1)硬巖層較薄，主關(guān)鍵層普遍缺失。根據(jù)主關(guān)鍵層定義，我國西南地區(qū)普遍不具有能夠讓上覆巖層全部同步變形的硬巖層，存在著主關(guān)鍵層普遍缺失、亞關(guān)鍵層數(shù)量較多的現(xiàn)象，如六盤水礦區(qū)存在4層亞關(guān)鍵層，遵義鴨溪礦區(qū)存在2層亞關(guān)鍵層，而重慶渝陽礦區(qū)僅有1層亞關(guān)鍵層。

(2)沖擊啟動區(qū)小，不易出現(xiàn)沖擊地壓。由于煤層較薄，關(guān)鍵層較薄，有效支撐步距較小，初次來壓時(shí)劇烈程度較小。周期來壓時(shí)，由于頂板巖層回轉(zhuǎn)空間較小，也難以產(chǎn)生大的來壓顯現(xiàn)。本研究對盤江礦區(qū)進(jìn)行現(xiàn)場來壓考察時(shí)發(fā)現(xiàn)部分工作面在回采期間共發(fā)生10次來壓，來壓期間出現(xiàn)小量片幫與瓦斯涌出量增大的現(xiàn)象，未發(fā)現(xiàn)劇烈的礦壓反應(yīng)。

(3)煤層較薄，頂?shù)装鍡l件中等偏下，軟巖較多，影響程度小。西南地區(qū)煤層多為薄及中厚煤層，且頂?shù)装鍘r性多為土狀泥巖、泥質(zhì)頁巖、泥質(zhì)粉砂巖以及松軟的碳質(zhì)泥巖，煤層開采后關(guān)鍵層破斷，導(dǎo)致煤層之間裂隙貫通，瓦斯涌出量增大。由于頂?shù)装鍘r性以黏土礦物為主，裂隙和微隙很容易被封堵，故而關(guān)鍵層破斷后出現(xiàn)的卸壓瓦斯集中涌出，之后受封堵影響，瓦斯涌出趨于平衡。

3 關(guān)鍵層破斷對瓦斯涌出的影響

六盤水礦區(qū)的亞關(guān)鍵層分布于各主要煤層中間，根據(jù)亞關(guān)鍵層對頂板的控制作用，結(jié)合亞關(guān)鍵層的位置，綜合分析認(rèn)為當(dāng)關(guān)鍵層破斷時(shí)，必然會導(dǎo)致瓦斯涌出量大幅增加，但不能籠統(tǒng)地將瓦斯涌出增量視為新卸壓煤層瓦斯向工作面的涌出量，是因?yàn)椋孩偈紫扔捎诹严栋l(fā)育是漸進(jìn)的，所有新卸壓煤層的瓦斯涌出量會有一個(gè)持續(xù)增加的過程，待涌出增量穩(wěn)定之后的數(shù)值才具有代表性；②關(guān)鍵層斷裂后，新卸壓的煤層涌出大量瓦斯，而后減少直至穩(wěn)定，該穩(wěn)定值才是新卸壓煤層瓦斯向工作面涌出的真實(shí)值[9]。本研究據(jù)此分析金佳礦煤層瓦斯向工作面涌出的情況。該礦11223工作面開始回采到回采后期的瓦斯抽采量和回風(fēng)巷風(fēng)流瓦斯?jié)舛茸兓闆r如表1所示?？紤]到瓦斯涌出變化幅度的影響，得出抽采狀態(tài)下鄰近層瓦斯涌出量及比例關(guān)系如表2所示。

表1 金佳礦11223工作面瓦斯涌出量

表2 抽采狀態(tài)下鄰近層瓦斯涌出量及比例

分析表1、表2可知：22#煤層的瓦斯涌出量為7.37m3/d，22#～18#煤層的煤線瓦斯涌出量為4.75m3/d，18#煤層的瓦斯涌出量為12.63m3/d，18-1#煤層的瓦斯涌出量為11.56m3/d，17#煤層的瓦斯涌出量為17.50m3/d，13#煤層的瓦斯涌出量為6.69m3/d，12#煤層的瓦斯可能未向11223工作面涌出或涌出較少。

4 結(jié) 論

(1)我國西南地區(qū)礦區(qū)的關(guān)鍵層普遍存在主關(guān)鍵層缺失的現(xiàn)象，不易引起沖擊地壓，井下來壓征兆和頂板反應(yīng)不明顯。但隨著后期采深逐步增加，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)頂板管理和沖擊地壓防治。

(2)我國西南地區(qū)礦區(qū)關(guān)鍵層的運(yùn)動對瓦斯涌出的影響明顯，關(guān)鍵層破斷會導(dǎo)致瓦斯涌出量大幅增加，瓦斯涌出呈現(xiàn)出跳躍性變化的特點(diǎn)，在回采期間應(yīng)加強(qiáng)對工作面瓦斯進(jìn)行監(jiān)測和防治。

[1] 錢鳴高，繆協(xié)興，許家林.巖層控制中的關(guān)鍵層理論研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，1996(3)：225-230.

[2] 錢鳴高，繆協(xié)興，許家林，等.巖層控制的關(guān)鍵層理論[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2000.

[3] 潘宏宇.復(fù)合關(guān)鍵層下采場壓力及煤層瓦斯?jié)B流耦合規(guī)律研究[D].西安：西安科技大學(xué)，2009.

[4] 屈慶棟，許家林，錢鳴高.關(guān)鍵層運(yùn)動對鄰近層瓦斯涌出影響的研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，26(7)：1478-1484.

[5] 楊本生，張 磊.覆巖關(guān)鍵層位置的快速判別及來壓預(yù)測[J].煤炭工程，2013(7)：79-81.

[6] 錢鳴高，謬協(xié)興，許家林，等.巖層控制的關(guān)鍵層理論[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2003.

[7] 錢鳴高，石平五，許家林.礦山壓力與巖層控制[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2011.

[8] 謬協(xié)興，陳榮華，浦 海，等.采場覆巖厚關(guān)鍵層破斷與冒落規(guī)律分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24(8)：1289-1295.

[9] 李樹清，顏 智.近距離煤層群下保護(hù)層開采瓦斯防治及涌出規(guī)律分析[J].煤礦安全，2013，44(10)：199-201.